DE102022103137A1

DE102022103137A1 - Doppelseitige elektroden und elektrochemische zellen mit solchen elektroden

Info

Publication number: DE102022103137A1
Application number: DE102022103137.3A
Authority: DE
Inventors: Dewen Kong; Xiaochao Que; Haijing Liu; Meiyuan Wu; Sherman H. Zeng; Xiaosong Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-11-17
Also published as: CN115347143A; US20220367848A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung stellt eine elektrochemische Zelle bereit, die eine doppelseitige Elektrode enthält. Die doppelseitige Elektrode umfasst eine erste Schicht aus elektroaktivem Material, eine zweite Schicht aus elektroaktivem Material und einen Stromkollektor, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material angeordnet ist. Jede der ersten und zweiten Schichten aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von Pufferschichten umfassen, die zwischen benachbarten Teilschichten aus elektroaktivem Material angeordnet sind. Die elektrochemische Zelle umfasst ferner eine erste einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der ersten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; einen ersten Separator, der die erste einseitige Elektrode und die erste Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt; eine zweite einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; und einen zweiten Separator, der die zweite einseitige Elektrode und die zweite Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt. Der Stromkollektor kann mindestens eine mit einer Haftschicht beschichtete Oberfläche aufweisen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Zu den mindestens zwei Elektroden gehören häufig mehrere Kathoden und Anoden, die schichtweise aufeinandergestapelt und durch Separatoren physisch getrennt sind. Solche Designs können einen hohen Anteil an nicht aktiven Materialien wie Separatoren und Stromkollektoren enthalten. Der hohe Anteil an nicht aktivem Material kann die Energiedichte der Zellen verringern und die Kosten sowie die Herstellungsanforderungen erhöhen. Dementsprechend wäre es wünschenswert, Designs und Materialien sowie Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen helfen können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine doppelseitige Elektrode (z.B. eine doppelseitige positive Elektrode oder Kathode oder eine doppelseitige negative Elektrode oder Anode) und eine elektrochemische Zelle, die diese enthält.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine doppelseitige Elektrode enthalten. Die doppelseitige Elektrode kann eine erste Schicht aus elektroaktivem Material, eine zweite Schicht aus elektroaktivem Material und einen Stromkollektor umfassen, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material angeordnet ist. Die elektrochemische Zelle kann ferner enthalten eine erste einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der ersten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; einen ersten Separator, der die erste einseitige Elektrode und die erste Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt; eine zweite einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; und einen zweiten Separator, der die zweite einseitige Elektrode und die zweite Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt.
In einem Aspekt kann jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein positives elektroaktives Material enthalten, und jede der ersten und zweiten einseitigen Elektroden kann ein negatives elektroaktives Material enthalten.
In einem Aspekt kann jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein negatives elektroaktives Material enthalten, und jede der ersten und zweiten einseitigen Elektroden kann ein positives elektroaktives Material enthalten.
In einem Aspekt ist der Stromkollektor ein erster Stromkollektor, ein zweiter Stromkollektor kann auf oder neben der ersten einseitigen Elektrode angeordnet sein, und ein dritter Stromkollektor kann auf oder neben der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet sein.
In einem Aspekt kann die erste Schicht aus elektroaktivem Material eine Vielzahl von ersten Teilfolien aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von ersten Pufferschichten umfassen. Die ersten Pufferschichten können zwischen benachbarten elektroaktiven Teilfolien aus der Vielzahl der ersten elektroaktiven Teilfolien angeordnet sein.
In einem Aspekt kann die zweite Schicht aus elektroaktivem Material eine Vielzahl von zweiten Teilfolien aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von zweiten Pufferschichten umfassen. Die zweiten Pufferschichten können zwischen benachbarten Teilfolien aus elektroaktivem Material der Vielzahl zweiter elektroaktiver Teilfolien angeordnet sein.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von ersten Pufferschichten und die Vielzahl von zweiten Pufferschichten jeweils ein Polymer, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und einen ionisch leitfähigen Füllstoff enthalten.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor eine oder mehrere Oberflächen haben, die mit einer Haftschicht beschichtet sind. Die Haftschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben. Die Haftschicht kann ein Polymer und einen elektronisch leitfähigen Füllstoff enthalten.
In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem einen ersten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der ersten einseitigen Elektrode angeordnet ist, und einen zweiten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet ist, umfassen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die elektrochemische Zelle kann eine doppelseitige Elektrode enthalten. Die doppelseitige Elektrode kann eine erste Schicht aus elektroaktivem Material, eine zweite Schicht aus elektroaktivem Material und einen Stromkollektor umfassen, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material angeordnet ist. Die erste Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von ersten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von ersten Pufferschichten umfassen. Die Pufferschichten können zwischen benachbarten elektroaktiven Teilschichten der mehreren ersten elektroaktiven Teilschichten angeordnet sein. Die zweite Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von zweiten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von zweiten Pufferschichten umfassen. Die Vielzahl von zweiten Pufferschichten kann zwischen benachbarten Teilschichten aus elektroaktivem Material der Vielzahl von zweiten elektroaktiven Teilschichten angeordnet sein. Die elektrochemische Zelle kann ferner enthalten eine erste einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der ersten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; einen ersten Separator, der die erste einseitige Elektrode und die erste Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt; eine zweite einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; und einen zweiten Separator, der die zweite einseitige Elektrode und die zweite Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt.
In einem Aspekt ist der Stromkollektor ein erster Stromkollektor, ein zweiter Stromkollektor kann auf oder neben der ersten einseitigen Elektrode angeordnet sein, und ein dritter Stromkollektor kann auf oder neben der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet sein.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von ersten Pufferschichten und die Vielzahl von zweiten Pufferschichten jeweils ein Polymer, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und einen ionisch leitfähigen Füllstoff enthalten.
In einem Aspekt kann der Stromkollektor eine oder mehrere Oberflächen haben, die mit einer Haftschicht beschichtet sind. Die Haftschicht kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm haben.
In einem Aspekt kann die elektrochemische Zelle außerdem enthalten einen ersten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der ersten einseitigen Elektrode angeordnet ist; und einen zweiten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet ist.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine doppelseitige Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit, die Lithiumionen zyklisch bewegt. Die Elektrode kann umfassen einen Stromkollektor mit einer ersten Oberfläche, die im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Oberfläche verläuft; eine erste Schicht aus elektroaktivem Material, die auf oder neben der ersten Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist; und eine zweite Schicht aus elektroaktivem Material, die auf oder neben der zweiten Oberfläche des Stromkollektors angeordnet ist. Die erste Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von ersten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von ersten Pufferschichten umfassen. Die ersten Pufferschichten können zwischen benachbarten elektroaktiven Teilfolien aus der Vielzahl der ersten elektroaktiven Teilfolien angeordnet sein. Die zweite Schicht aus elektroaktivem Material kann eine Vielzahl von zweiten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von zweiten Pufferschichten umfassen. Die zweiten Pufferschichten können zwischen benachbarten Teilschichten aus elektroaktivem Material der Vielzahl von zweiten elektroaktiven Teilschichten angeordnet sein. Die doppelseitige Elektrode kann eine Gesamtdicke von mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 20.000 µm aufweisen.
In einem Aspekt kann jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein positives elektroaktives Material enthalten.
In einem Aspekt kann jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein negatives elektroaktives Material enthalten.
In einem Aspekt kann die Vielzahl von ersten Pufferschichten und die Vielzahl von zweiten Pufferschichten jeweils ein Polymer, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und einen ionisch leitfähigen Füllstoff enthalten.
In einem Aspekt kann jede der Vielzahl von ersten Teilschichten aus elektroaktivem Material und der Vielzahl von zweiten Teilschichten aus elektroaktivem Material jeweils eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Batterie mit Einzelelektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2A ist eine Darstellung einer beispielhaften positiven Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
2B ist eine weitere Darstellung einer beispielhaften positiven Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Batterie mit Einzelelektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
4A ist eine Darstellung einer beispielhaften negativen Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
4B ist eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften negativen Elektrode gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
5 ist eine graphische Darstellung der Kapazitätserhaltung eines Beispiels einer Halbzelle, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Design für eine elektrochemische Zelle (z.B. Einzelektrodenbatterie) bereit, das das Gewicht und das Volumen von nicht-aktiven Materialien (z.B. Stromkollektoren, Separatoren und dergleichen) reduziert, so dass die Batterie eine verbesserte Energiedichte (z.B. etwa 255,5 Wh/kg oder 521,0 Wh/I) aufweist, sowie Mittel zur Vereinfachung der Zellenmontage und -herstellung bereitstellt.
Eine typische Lithiumionen-Batterie mit einer einzigen Elektrode (z.B. eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt) umfasst eine doppelseitige Elektrode, die zwischen parallelen ersten und zweiten einseitigen Elektroden angeordnet ist, wobei ein Separator und/oder Elektrolyt die doppelseitige Elektrode und die ersten und zweiten einseitigen Elektroden physisch trennt. In einem Lithiumionen-Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen (oder Natriumionen im Falle von Natriumionen-Batterien und dergleichen) geeignet und kann in flüssiger, Gel- oder fester Form vorliegen. In 1 ist beispielsweise eine elektrochemische Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 mit einer Zellenkapazität von mehr als oder gleich etwa 20 Ah bis weniger als oder gleich etwa 300 Ah und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 65 Ah bis weniger als oder gleich etwa 150 Ah beispielhaft und schematisch dargestellt.
Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die dargestellten Beispiele nur eine Kathode und zwei Anoden oder zwei Kathoden und eine Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
Die Batterie 20 enthält eine doppelseitige positive Elektrode 24 (z.B. Kathode), die zwischen parallelen ersten und zweiten einseitigen negativen Elektroden 22A, 22B (z.B. Anoden) angeordnet ist. Ein erster Separator 26A kann zwischen der ersten einseitigen negativen Elektrode 22A und einer ersten Seite der doppelseitigen positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Ein zweiter Separator 26B kann zwischen der zweiten einseitigen negativen Elektrode 22B und einer zweiten Seite der doppelseitigen positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Die erste und die zweite Seite der doppelseitigen positiven Elektrode 24 können im Wesentlichen parallel sein. Die Separatoren 26A, 26B sorgen für eine elektrische Trennung (d.h. sie verhindern einen physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 22A, 22B, 24. Ferner stellen die Separatoren 26A, 26B einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen bereit. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten (nicht gezeigt), der in bestimmten Aspekten auch in den negativen Elektroden 22A, 22B und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen können die Separatoren 26A, 26B aus einem Festkörperelektrolyten bestehen. Zum Beispiel können die Separatoren 26A, 26B durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein (nicht gezeigt).
Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode können an oder in der Nähe jeder der negativen Elektroden 22A, 22B angeordnet sein. So kann beispielsweise ein erster Stromkollektor 32A der negativen Elektrode an oder in der Nähe der ersten einseitigen negativen Elektrode 22A und ein zweiter Stromkollektor 32B der negativen Elektrode an oder in der Nähe der zweiten einseitigen negativen Elektrode 22B angeordnet sein. Die ersten und zweiten Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode können gleich oder unterschiedlich sein. Der erste und zweite Stromkollektor 32A, 32B der negativen Elektrode kann jeweils eine Metallfolie, ein Metallgeflecht, -gitter oder -schirm oder Streckmetall mit Kupfer, Edelstahl oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. In bestimmten Variationen können die Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Die Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode können zum Beispiel mit Kohlenstoff beschichtet oder geätzt sein. In jedem Fall können die Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm.
Die doppelseitige positive Elektrode 24 kann einen Stromkollektor 34 der positiven Elektrode enthalten. Beispielsweise kann die positive Elektrode 24 eine erste positive elektroaktive Materialschicht 36A enthalten, die neben einer ersten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet ist, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht 36B, die neben einer zweiten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet ist. Die erste und die zweite Seite des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode können im Wesentlichen parallel sein. Die erste positive elektroaktive Materialschicht 36A kann eine erste Seite der doppelseitigen positiven Elektrode 24 bilden. Die zweite positive elektroaktive Materialschicht 36B kann eine zweite Seite der doppelseitigen positiven Elektrode 24 bilden. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgeflecht ,-gitter oder -schirm oder Streckmetall mit Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. In jedem Fall kann der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm.
In bestimmten Variationen kann der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann beispielsweise mit Kohlenstoff beschichtet oder geätzt sein. In anderen Variationen kann, wie dargestellt, eine erste Haftschicht 38A auf oder neben der ersten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode und eine zweite Haftschicht 38B auf oder neben der zweiten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet sein.
Die erste und die zweite Haftschicht 38A, 38B können jeweils eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich weniger als oder gleich etwa 100 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben, wobei die Dicke um etwa ± 5 % variieren kann. Die erste und die zweite Haftschicht 38A, 38B können jeweils eine Porosität aufweisen, die größer als oder gleich etwa 0,1 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 0,5 Vol.-% ist, und in bestimmten Aspekten optional größer als oder gleich etwa 0,15 Vol.-% bis kleiner als oder gleich etwa 0,3 Vol.-%.
Die erste und die zweite Haftschicht 38A, 38B können elektrisch leitende Schichten sein, die ein Gemisch aus einem Polymer und einem elektronisch leitfähigen Füllstoff enthalten. Zum Beispiel können die erste und die zweite Haftschicht 38A, 38B jeweils mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines Polymers und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines elektronisch leitfähigen Füllstoffs enthalten. Beispielsweise können die erste und die zweite Haftschicht 38A, 38B ein Massenverhältnis von leitfähigem Füllstoff zu Polymer von etwa 1:3 aufweisen. Der leitfähige Füllstoff kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Super-P, Ruß, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dergleichen) und/oder Metallpulver enthalten. Das Polymer kann lösungsmittelbeständig sein und eine gute Haftung aufweisen, wie z.B. Epoxid, Polyimid (Polyamidsäure), Polyester, Vinylester und Kombinationen und dergl. In anderen Variationen kann das Polymer ein thermoplastisches Polymer enthalten, wie Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Silikon, Acryl und Kombinationen und dergl.
Die Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode und der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negativen Elektroden 22A, 22B (über die Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden.
Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negativen Elektroden 22A, 22B und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negativen Elektroden 22A, 22B haben ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode 24. In bestimmten Variationen kann die Batterie 20 ein Verhältnis von negativer Elektrodenkapazität für Lithium zu positiver Elektrodenkapazität für Lithium (N/P) von mehr als oder gleich etwa 1,01 bis weniger als oder gleich etwa 1,3 und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1,05 bis weniger als oder gleich etwa 1,2 aufweisen. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und den negativen Elektroden 22A, 22B treibt die durch die Oxidation des an den negativen Elektroden 22A, 22B eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an den negativen Elektroden 22A, 22B erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie bereits erwähnt, befindet sich der Elektrolyt normalerweise auch in den negativen Elektroden 22A, 22B und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in den negativen Elektroden 22A, 22B verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Reaktion an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten über den Separator 26 zurück zu den negativen Elektrode 22A, 22B, um die negativen Elektroden 22A, 22B mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und den negativen Elektroden 22A, 22B zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils die Stromkollektoren 32A, 32B für die negative Elektrode, die negativen Elektroden 22A, 22B, Separatoren 26A, 26B, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negativen Elektroden 22A, 22B, die positive Elektrode 24 und/oder die Separatoren 26A, 26B herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien, die Festkörperelektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die einen anderen Aufbau haben können, wie Fachleuten bekannt ist.
Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
Gemäß 1 können die positive Elektrode 24, die negativen Elektroden 22A, 22B und die Separatoren 26A, 26B jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem (nicht gezeigt) in ihren Poren enthalten, die/das Lithiumionen zwischen den negativen Elektroden 22A, 22B und der positiven Elektrode 24 leiten kann. Jeder geeignete Elektrolyt, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen den negativen Elektroden 22A, 22B und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In bestimmten Fällen kann der Elektrolyt auch ein oder mehrere Additive enthalten, wie z.B. Vinylencarbonat (VC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC) und dergleichen. In der Lithiumionen-Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Lösungen mit Elektrolyt verwendet werden.
In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöste Lithiumsalze enthält. Die Lithiumsalze können ein oder mehrere Kationen gekoppelt mit einem oder mehreren Anionen enthalten. Die Kationen können ausgewählt sein aus Li⁺, Na⁺, K⁺, Al³⁺, Mg²⁺ und dergleichen. Die Anionen können ausgewählt sein aus PF^6-, BF^4-, TFSI^-, FSI^-, CF₃SO₃-, (C₂F₅S₂O₂)N^- und dergleichen. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) Lithiumoxalyldifluoroborat (LiODFB), Lithium-Fluoralkylphosphat (LiFAP), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumbis(trifluormethansulfonyl)imid (LiTFSI), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid) (LiFSI) und Kombinationen davon.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
Der erste und der zweite poröse Separator 26A, 26B können gleich oder unterschiedlich sein. In jedem Fall kann der poröse Separator 26A, 26B in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator einschließlich eines Polyolefins umfassen. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator gehören CELGARD® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26A, 26B außerdem eine oder mehrere keramische Beschichtungsschichten und eine Beschichtung aus hitzebeständigem Material enthalten. Die keramische Beschichtungsschicht und/oder die Beschichtung aus hitzebeständigem Material kann auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26A, 26B angeordnet sein. Das Material, das die keramische Schicht bildet, kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Böhmit (AIOOH), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon.
Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
Wenn der Separator 26A, 26B ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26A, 26B bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26A, 26B eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26A, 26B zusammengesetzt werden. Der Separator 26A, 26B kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die erforderliche poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26A, 26B eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26A, 26B geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen. Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26A, 26B werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26A, 26B eingesetzt werden können. Jeder Separator 26A, 26B kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm haben.
In bestimmten Variationen kann die Batterie 20 außerdem einen oder mehrere Anschlussseparatoren 28A, 28B enthalten. Zum Beispiel kann die Batterie 20 einen ersten Anschlussseparator 28A, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche des ersten Stromkollektors 32A der negativen Elektrode angeordnet ist, und einen zweiten Anschlussseparator 28B, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche des zweiten Stromkollektors 32B der negativen Elektrode angeordnet ist, umfassen. Die Anschlussseparatoren 28A, 28B können die Stromkollektoren 32A, 32B und das Batteriegehäuse (nicht gezeigt) physisch voneinander trennen. Die Anschlussseparatoren 28A, 28B können mit dem ersten Separator 26A und/oder dem zweiten Separator 26B identisch oder davon verschieden sein
In verschiedenen Aspekten können die porösen Separatoren 26A, 26B, 28A, 28B und der in den porösen Separatoren 26A, 26B, 28A, 28B in 1 angeordnete Elektrolyt jeweils durch einen Festkörperelektrolyten („SSE“) (nicht gezeigt) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolyte können zwischen der positiven Elektrode 24 und den negativen Elektroden 22A, 22B angeordnet sein. Die Festkörperelektrolyte erleichtern den Transfer von Lithiumionen, während sie die negativen Elektroden 22A, 22B und die positive Elektrode 24 mechanisch voneinander trennen und elektrisch isolieren. Als nicht einschränkendes Beispiel können Festkörperelektrolyte eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten, wie LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li_sPS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Bei den Festkörperelektrolytteilchen kann es sich um nanometergroße Festkörperelektrolytteilchen auf Oxidbasis handeln. In noch anderen Variationen können die porösen Separatoren 26A, 26B und der Elektrolyt in 1 durch einen Gelelektrolyten ersetzt werden. In bestimmten Variationen können die porösen Separatoren 28A, 28A in 1 durch eine Kunststofffolie ersetzt werden.
Jede der einseitigen negativen Elektroden 22A, 22B enthält ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie fungieren kann. Zum Beispiel können die negativen Elektroden 22A, 22B jeweils ein Lithium-Wirtsmaterial enthalten (z.B. negatives elektroaktives Material), das als negativer Anschluss der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten können die negativen Elektroden 22A, 22B jeweils durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektroden 22A, 22B zu definieren. Der Elektrolyt kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht gezeigt) der negativen Elektroden 22A, 22B enthalten. Die negativen Elektroden 22A, 22B können z.B. eine Vielzahl von Elektrolytteilchen (nicht gezeigt) enthalten. Jede der negativen Elektroden 22A, 22B (die die eine oder mehreren Schichten umfassen) kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1.000 µm bis weniger als oder gleich etwa 1 cm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2.000 µm bis weniger als oder gleich etwa 5.000 µm, mit einer Dickenvariation von etwa ± 5 %.
Die erste und die zweite einseitige negative Elektrode 22A, 22B können gleich oder unterschiedlich sein (z.B. in der Zusammensetzung). Beispielsweise kann jede der negativen Elektroden 22A, 22B ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen können die negativen Elektroden 22A, 22B ein Film oder eine Schicht sein, die aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung gebildet ist. Zur Bildung der negativen Elektroden 22A, 22B können auch andere Materialien verwendet werden, z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und dergleichen) und/oder Lithium-Silicium und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinkhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiO_x, Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen) und/oder Metalloxide (wie Fe₃O₄, V₂O₅, SnO, Co₃O₄, NbO_x und dergleichen) und/oder Metallsulfide (z.B. FeS und dergleichen). In bestimmten Variationen werden Lithium-Titan-Anodenmaterialien in Betracht gezogen, wie z.B. L_14+xT₁₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO).
Das negative elektroaktive Material kann optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektroden 22A, 22B verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das negative elektroaktive Material in einer oder beiden negativen Elektroden 22A, 22B optional mit Bindemitteln vermischt sein, wie z.B. nackten Alginatsalzen, Poly(tetrafluorethylen) (PTFE) Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und Kombinationen davon. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Rußpartikel (z.B. Super-P), Graphit, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus der Gasphase gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Zum Beispiel kann jede der negativen Elektroden 22A, 22B enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99,5 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die negativen Elektroden 22A, 22B können eine Elektrodenpressdichte aufweisen, die größer oder gleich etwa 1,0 g/cm³ bis kleiner oder gleich etwa 3,0 g/cm³ ist, und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 1,3 g/cm³ bis kleiner oder gleich etwa 2,0 g/cm³, mit einer Variation von etwa ± 3 %.
Wie bereits erwähnt, umfasst die doppelseitige positive Elektrode 24 eine erste positive elektroaktive Materialschicht 36A, die neben einer ersten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet ist, und eine zweite positive elektroaktive Materialschicht 36B, die neben einer zweiten Oberfläche des Stromkollektors 34 der positiven Elektrode angeordnet ist. Die erste und zweite positive elektroaktive Materialschicht 36A, 36B kann jeweils aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, das ausreichend Lithium-Einlagerung und -Auslagerung, -Legierung und -De-Legierung oder -Plattierung und -Abstreifung durchlaufen kann, während es als positiver Anschluss der Batterie 20 fungiert. Die erste und zweite positive elektroaktive Materialschicht 36A, 36B kann z.B. jeweils durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen (nicht gezeigt) gebildet sein, die in einer oder mehreren Schichten angeordnet sind, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu bilden. Der Elektrolyt kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht gezeigt) der positiven Elektrode 24 enthalten.
Die erste und die zweite positive elektroaktive Materialschicht 36A, 36B können gleich oder unterschiedlich sein (z.B. in der Zusammensetzung). Zum Beispiel kann in bestimmten Variationen, wie in 2A dargestellt, jede der ersten und zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 36A, 26B jeweils eine positive elektroaktive Materialschicht 60 mit einer Dicke von mehr als oder gleich etwa 500 µm bis weniger als oder gleich etwa 10.000 µm, optional mehr als oder gleich etwa 1.000 µm bis weniger als oder gleich etwa 5.000 µm und in bestimmten Aspekten optional etwa 2.250 µm enthalten, mit einer Varianz von etwa ± 5 %. Die doppelseitige positive Elektrode 24 kann eine Gesamtdicke von mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 20.000 µm aufweisen.
In jedem Fall kann die positive elektroaktive Materialschicht 60 ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn₂O₄, wobei 0 ≤ x ≤ 1), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (z.B. LiMn_1,5Ni_0,5O₄); ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1) (z.B. LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂) oder Li(Ni_xMn_yCo_zAl_w)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 ≤ w ≤ 1 und x+ y + z + w = 1) (z.B. LiMn_0,04Ni_0,90Co_0,04Al_0,02O₂)), oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M AI, Mg, Ti oder dergleichen sein kann); oder ein Lithium-Eisenpolyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn_1-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,5) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li₂FePO₄F). In bestimmten Variationen kann die positive elektroaktive Materialschicht 60 enthalten ein oder mehrere Hochspannungsoxide (wie LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiCoPO₄), ein oder mehrere Steinsalz-Schichtoxide (z.B. LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 2 ist und wobei M sich auf Metallelemente, ausgewählt aus Mn, Ni und dergleichen, bezieht), ein oder mehrere Polyanionen (wie z.B. LiV₂(PO₄)₃) und andere ähnliche Lithium-Übergangsmetalloxide.
Beispielsweise kann die Schicht aus positivem elektroaktivem Material 60 in verschiedenen Aspekten ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiNi_0,5Mn_0,5O₂, NMC111, NMC523, NMC622, NMC721, NMC811, NCA, NCMA, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFePO₄, LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiVPO₄F, LiFeBO₃, LiCoBO₃, LiMnBO₃, Li₂FeSiO₄, Li₂MnSiO₄, LiMnSiO₄F, Dilithium(2,5-dilithiooxy)terephthalat, Polyimid und Kombination davon. In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen oberflächenbeschichtet und/oder dotiert sein. Das positive elektroaktive Material kann zum Beispiel LiNbO₃-beschichtetes LiNi_0,5Mn_1,5O₄ enthalten.
In jedem Fall können die positiven elektroaktiven Materialien optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien und elektronisch oder elektrisch leitfähigen Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden wie Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Acetylenruß (wie KET-CHEN™Ruß oder DENKA™-Ruß oder SuperP™), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen, Graphenoxid und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
Beispielsweise kann die Schicht 60 aus positivem elektroaktivem Material enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel. Die Folie aus positivem elektroaktivem Material kann eine Elektrodenpressdichte von größer oder gleich etwa 1,0 g/cm³ bis kleiner oder gleich etwa 4,0 g/cm³ und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 1,7 g/cm³ bis kleiner oder gleich etwa 3,7 g/cm³ haben, mit einer Abweichung von etwa ±3 %.
In anderen Variationen, wie in 2B dargestellt, können die ersten und zweiten positiven elektroaktiven Materialschichten 36A, 26B jeweils eine Vielzahl von Teilfolien oder Teilschichten 50 aus elektroaktiven Material enthalten, wobei jede Teilschicht 50 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 200 µm bis weniger als oder gleich etwa 600 µm aufweist, mit einer Dickenabweichung von etwa ± 3 %. In bestimmten Variationen, wie dargestellt, können die erste und die zweite Schicht 36A, 36B aus positivem elektroaktivem Material beispielsweise jeweils fünf Teilfolien 50 enthalten. Jede Teilfolie der Vielzahl von Teilfolien 50 kann gleich oder unterschiedlich sein (z.B. in der Zusammensetzung).
Wie die Schicht aus positivem elektroaktivem Material 60 kann jede der Teilschichten 50 ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiNi_0,5Mn_0,5O₂, NMC111, NMC523, NMC622, NMC721, NMC811, NCA, NCMA, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFePO₄, LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiVPO₄F, LiFeBO₃, LiCoBO₃, LiMnBO₃, Li₂FeSiO₄, Li₂MnSiO₄, LiMnSiO₄F, Dilithium(2,5-dili-thiooxy)terephthalat, Polyimid und Kombination davon. In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen oberflächenbeschichtet und/oder dotiert sein. Das positive elektroaktive Material kann zum Beispiel LiNbO₃-beschichtetes LiNi_0,5Mn_1,5O₄ enthalten.
Jede der Teilschichten 50 kann in ähnlicher Weise ein elektronisch leitfähiges Material und/oder mindestens ein polymeres Bindemittel enthalten. Zum Beispiel kann jede Teilschicht 50 enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
Wie dargestellt, können aufeinanderfolgende Teilfolien 50 durch eine oder mehrere Puffer- oder Haftschichten 52 mit einer Porosität von mehr als oder gleich etwa 0,2 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,7 Vol.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,25 Vol.-% bis weniger als oder gleich etwa 0,5 Vol.-% getrennt sein. Wie dargestellt, kann beispielsweise eine Haftschicht 52 zwischen den aufeinanderfolgenden Teilfolien 50 angeordnet sein. In jedem Fall kann es sich bei der einen oder mehreren Haftschichten 52 um eine ionisch und elektrisch leitfähige Schicht handeln, die ein Gemisch aus einem Polymer, einem elektronisch leitfähigen Füllstoff und einem ionisch leitfähigen Füllstoff enthält. Zum Beispiel kann jede der einen oder mehreren Haftschichten 52 mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Polymers und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% einer Kombination aus dem elektronisch leitfähigen Füllstoff und dem ionisch leitfähigen Füllstoff enthalten. In bestimmten Variationen kann mindestens eine der einen oder mehreren Haftschichten 52 ein Massenverhältnis von Polymer:elektronisch leitfähigem Füllstoff:ionisch leitfähigem Füllstoff von etwa 3:1:1 aufweisen.
Der elektrisch leitfähige Füllstoff kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Super-P, Ruß, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern und dergleichen) und/oder Metallpulver (z.B. Silber (Ag), Aluminium (AI), Nickel (Ni) und dergleichen) enthalten. Der ionisch leitfähige Füllstoff kann ein schnell leitfähiges Lithiumionenmaterial umfassen, wie Lithium-Aluminium-Titanphosphat (LATP), Lithium-Lanthanzirkonat (LLZO), Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (mit 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP) und dergleichen. Das Polymer kann lösungsmittelbeständig sein und eine gute Haftung aufweisen, wie z.B. Epoxid, Polyimid (Polyamidsäure), Polyester, Vinylester und Kombinationen und dergl. In anderen Variationen kann das Polymer ein thermoplastisches Polymer enthalten, wie Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Silikon, Acryl und Kombinationen und dergl.
3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine elektrochemische Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 220 mit einer Zellenkapazität von mehr als oder gleich etwa 20 Ah bis weniger als oder gleich etwa 300 Ah, und unter bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 65 Ah bis weniger als oder gleich etwa 150 Ah. Die Batterie 200 enthält eine doppelseitige negative Elektrode 222 (z.B. Anode), die zwischen parallelen ersten und zweiten einseitigen positiven Elektroden 224A, 224B (z.B. Kathoden) angeordnet ist. Ein erster Separator 226A kann zwischen der ersten einseitigen positiven Elektrode 224A und einer ersten Seite der doppelseitigen negativen Elektrode 222 angeordnet sein. Ein zweiter Separator 226A kann zwischen der zweiten einseitigen positiven Elektrode 224B und einer zweiten Seite der doppelseitigen negativen Elektrode 224 angeordnet sein. Die erste und die zweite Seite der doppelseitigen negativen Elektrode 222 können im Wesentlichen parallel sein.
Wie die in 1 gezeigten Separatoren 26A, 26B sorgen auch die in 3 gezeigten Separatoren 226A, 226B für eine elektrische Trennung (d.h. sie verhindern einen physischen Kontakt) zwischen den Elektroden 222, 224A, 224B. Ferner stellen die Separatoren 226A, 226B einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen bereit. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 226 eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem (nicht gezeigt), die/das in bestimmten Aspekten auch in den positiven Elektroden 224A, 224B und der negativen Elektrode 24 vorhanden sein kann. Jeder geeignete Elektrolyt, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen den positiven Elektroden 224A, 224B und der negativen Elektrode 222 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden.
In bestimmten Variationen kann die Batterie 200 außerdem einen oder mehrere Anschlussseparatoren 228A, 228B enthalten. Zum Beispiel kann die Batterie 200 einen ersten Anschlussseparator 228A, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche des ersten Stromkollektors 234A der positiven Elektrode angeordnet ist, und einen zweiten Anschlussseparator 228B, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche des zweiten Stromkollektors 234B der positiven Elektrode angeordnet ist, umfassen. Die Anschlussseparatoren 228A, 228B können die Stromkollektoren 234A, 234B und das Batteriegehäuse (nicht gezeigt) physisch voneinander trennen. Die Anschlussseparatoren 228A, 228B können mit dem ersten Separator 226A und/oder dem zweiten Separator 226B identisch oder davon verschieden sein.
Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode können an oder in der Nähe jeder der positiven Elektroden 224A, 224B angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein erster Stromkollektor 234A der negativen Elektrode an oder in der Nähe der ersten einseitigen positiven Elektrode 224A positioniert sein, und ein zweiter Stromkollektor 234B der positiven Elektrode kann an oder in der Nähe der zweiten einseitigen positiven Elektrode 224B positioniert sein. Die ersten und zweiten Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode können gleich oder unterschiedlich sein. Der erste und zweite Stromkollektor 234A, 234B der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgeflecht, -gitter oder -schirm oder Streckmetall mit Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitfähigen Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. In bestimmten Variationen können die Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Die Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode können zum Beispiel mit Kohlenstoff beschichtet oder geätzt sein. In jedem Fall können die Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 5 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm.
Die doppelseitige negative Elektrode 222 kann einen Stromkollektor 232 der negativen Elektrode enthalten. Zum Beispiel kann die negative Elektrode 222 eine erste Schicht 236A aus negativem elektroaktivem Material enthalten, die neben einer ersten Oberfläche des Stromkollektors 232 der negativen Elektrode angeordnet ist, und eine zweite Schicht 236B aus negativem elektroaktivem Material, die neben einer zweiten Oberfläche des Stromkollektors 232 der negativen Elektrode angeordnet ist. Die erste und die zweite Seite des Stromkollektors 232 der negativen Elektrode können im Wesentlichen parallel sein. Die erste negative elektroaktive Materialschicht 236A kann eine erste Seite der doppelseitigen negativen Elektrode 222 bilden. Die zweite negative elektroaktive Materialschicht 236B kann eine zweite Seite der doppelseitigen negativen Elektrode 222 bilden. Der Stromkollektor 232 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgeflecht, -gitter oder -schirm oder Streckmetall mit Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. In jedem Fall kann der Stromkollektor 232 der negativen Elektrode eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 4 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 20 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm.
In bestimmten Variationen kann der Stromkollektor 232 der negativen Elektrode eine Oberflächenbehandlung aufweisen. Der Stromkollektor 232 der negativen Elektrode kann zum Beispiel mit Kohlenstoff beschichtet oder geätzt sein. In anderen Variationen kann, wie dargestellt, eine erste Haftschicht 238A auf oder neben der ersten Oberfläche des Stromkollektors 232 der negativen Elektrode und eine zweite Haftschicht 238B auf oder neben der zweiten Oberfläche des Stromkollektors 234 der negativen Elektrode angeordnet sein.
Die erste und die zweite Haftschicht 238A, 238B können eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich weniger als oder gleich etwa 100 µm, optional mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich weniger als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben, mit einer Dickenabweichung von etwa ± 3 %. Die erste und die zweite Haftschicht 238A, 238B können elektrisch leitfähige Schichten sein, die ein Gemisch aus einem Polymer und einem elektronisch leitfähigen Füllstoff enthalten. Zum Beispiel können die erste und die zweite Haftschicht 238A, 238B jeweils mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines Polymers und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% eines elektronisch leitfähigen Füllstoffs enthalten. Beispielsweise können die erste und die zweite Haftschicht 238A, 238B ein Massenverhältnis von leitfähigem Füllstoff zu Polymer von etwa 1:3 aufweisen. Der leitfähige Füllstoff kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Super-P, Ruß, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und dergleichen) und/oder Metallpulver enthalten. Das Polymer kann lösungsmittelbeständig sein und eine gute Haftung aufweisen, wie z.B. Epoxid, Polyimid (Polyamidsäure), Polyester, Vinylester und Kombinationen und dergl. In anderen Variationen kann das Polymer ein thermoplastisches Polymer enthalten, wie Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Silikon, Acryl und Kombinationen und dergl.
Wie die in 1 dargestellten Stromkollektoren 32A, 32B der negativen Elektrode und der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode sammeln der Stromkollektor 232 der negativen Elektrode und die Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode, wie sie in 3 dargestellt sind, freie Elektronen ein und transportieren sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 240 und eine Lastvorrichtung 242 die negative Elektrode 222 (über den Stromkollektor 232 der negativen Elektrode) und die positiven Elektroden 224A, 224B (über die Stromkollektoren 234A, 234B der positiven Elektrode) verbinden.
Jede der einseitigen positiven Elektroden 224A, 224B kann gleich oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann jede der positiven Elektroden 224A, 224B ein positives elektroaktives Material enthalten, das ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfasst, wie Lithium-Manganoxid (Li(_1+x)Mn₂O₄, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (z.B. LiMn_1,5Ni_0,5O₄); ein oder mehrere Materialien mit einer Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1) (z.B. LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂) oder Li(Ni_xMn_yCo_zAl_w)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, 0 ≤ w ≤ 1 und x+ y + z + w = 1) (z.B. LiMn_0,04Ni_0,90Co_0,04Al_0,02O₂)), oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M AI, Mg, Ti oder dergleichen sein kann); oder ein Lithium-Eisenpolyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn_1-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,5), oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li₂FePO₄F). In bestimmten Variationen kann jede der positiven Elektroden 224A, 224B enthalten ein oder mehrere Hochspannungsoxide (wie LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiCoPO₄), ein oder mehrere Steinsalz-Schichtoxide (z.B. LiCoO₂, LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1), LiNi_xMn_1-xO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 1), Li_1+xMO₂ (wobei 0 ≤ x ≤ 2 ist und wobei M sich auf Metallelemente, ausgewählt aus Mn, Ni und dergleichen, bezieht), ein oder mehrere Polyanionen (z.B. LiV₂(PO₄)₃) und andere ähnliche Lithium-Übergangsmetalloxide.
Zum Beispiel kann in verschiedenen Aspekten jede der positiven Elektroden 224A, 224B ein oder mehrere positive elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: LiCoO₂, LiNiO₂, LiMnO₂, LiNi_0,5Mn_0,5O₂, NMC111, NMC523, NMC622, NMC721, NMC811, NCA, NCMA, LiMn₂O₄, LiNi_0,5Mn_1,5O₄, LiV₂(PO₄)₃, LiFePO₄, LiCoPO₄, LiMnPO₄, LiVPO₄F, LiFeBO₃, LiCoBO₃, LiMnBO₃, Li₂FeSiO₄, Li₂MnSiO₄, LiMnSiO₄F, Dilithium(2,5-dilithiooxy)terephthalat, Polyimid und Kombination davon. In bestimmten Variationen können die positiven elektroaktiven Materialteilchen oberflächenbeschichtet und/oder dotiert sein. Das positive elektroaktive Material kann zum Beispiel LiNbO₃-beschichtetes LiNi_0,5Mn_1,5O₄ enthalten.
In jedem Fall können die positiven elektroaktiven Materialien optional mit einem elektronisch leitfähigen Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad bereitstellt, und/oder mit mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der Elektrode verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien und elektronisch oder elektrisch leitfähigen Materialien mit solchen Bindemitteln aufgeschlämmt werden wie Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Graphitteilchen, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß, DENKA™-Ruß oder SuperP™), Kohlenstofffasern und -Nanoröhren, Graphen, Graphenoxid und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
Zum Beispiel kann jede der positiven Elektroden 224A, 224B enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des positiven elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
Die erste und die zweite negative elektroaktive Materialschicht 236A, 236B können gleich oder unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann in bestimmten Variationen, wie in 4A dargestellt, jede der ersten und zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 236A, 236B jeweils eine negative elektroaktive Materialschicht 260 mit einer Dicke von mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 10.000, optional mehr als oder gleich etwa 50 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm und in bestimmten Aspekten optional etwa 400 µm aufweisen. Die doppelseitige negative Elektrode 222 kann eine Gesamtdicke von mehr als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 20.000 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1.000 µm bis weniger als oder gleich etwa 20.000 µm.
In jedem Fall kann die negative elektroaktive Materialschicht 260 ein negatives elektroaktives Material enthalten, das Lithium enthält, wie z.B. Lithiummetall. In bestimmten Variationen kann die negative elektroaktive Materialschicht 260 beispielsweise ein Film oder eine Schicht aus Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung sein, der/die auf einer oder mehreren Seiten des negativen Stromkollektors 232 mit Hilfe eines Metallzerstäubungsverfahrens angebracht werden kann. Zur Bildung der negativen elektroaktiven Materialschicht 260 können auch andere Materialien verwendet werden, z.B. kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und dergleichen) und/oder Lithium-Silicium und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinkhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiO_x, Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen) und/oder Metalloxide (z.B. Fe₃O₄, V₂O₅, SnO, CO₃O₄ und dergleichen) und/oder Metallsulfide (z.B. FeS und dergleichen). In bestimmten Variationen werden Lithium-Titan-Anodenmaterialien in Betracht gezogen, wie z.B. Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO).
In jedem Fall kann das negative elektroaktive Material optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen elektroaktiven Materialschicht 260 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das negative elektroaktive Material optional vermischt sein mit Bindemitteln, wie bloßen Alginatsalzen, Poly(tetrafluorethylen) (PTFE) Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Poly(vinylidenfluorid) (PVDF), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer (SEBS), Styrol-Butadien-Styrol-Copolymer (SBS), Polyacrylat (PAA), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithiumalginat, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) und Kombinationen davon. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Zu den kohlenstoffbasierten Materialien können beispielsweise gehören Rußpartikel (z.B. Super-P), Graphit, Acetylenruß (z.B. KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren (z.B. aus der Gasphase gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF)), Graphen, Graphenoxid und dergleichen. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen.
Beispielsweise kann die Schicht 260 aus negativem elektroaktivem Material enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
In anderen Variationen, wie in 4B dargestellt, können die ersten und zweiten negativen elektroaktiven Materialschichten 236A, 236B jeweils eine Vielzahl von Teilfolien oder Teilschichten 250 aus elektroaktivem Material enthalten, wobei jede Teilfolie 250 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 1.000 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 25 µm bis weniger als oder gleich etwa 600 µm aufweist, mit einer Dickenabweichung von etwa ± 3 %. In bestimmten Variationen können, wie dargestellt, die erste und die zweite Schicht 236A, 236B aus negativem elektroaktivem Material beispielsweise jeweils fünf Teilfolien 250 enthalten. Jede Teilfolie aus der Vielzahl der Teilfolien 250 kann gleich oder unterschiedlich sein.
Wie die negative elektroaktive Materialschicht 260 kann jede der Teilschichten 250 enthalten Lithium und/oder kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) und dergleichen) und/oder Lithium-Silicium und siliciumhaltige binäre und ternäre Legierungen und/oder zinkhaltige Legierungen (wie Si, Li-Si, SiO_x, Si-Sn, SiSnFe, SiSnAI, SiFeCo, SnO₂ und dergleichen) und/oder Metalloxide (z.B. Fe₃O₄, V₂O₅, SnO, CO₃O₄ und dergleichen) und/oder Metallsulfide (z.B. FeS und dergleichen). Ferner werden in bestimmten Variationen Lithium-Titan-Anodenmaterialien in Betracht gezogen, wie z.B. Li_4+xTi₅O₁₂, wobei 0 ≤ x ≤ 3, einschließlich Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) (LTO).
Jede der Teilschichten 250 kann in ähnlicher Weise ein elektronisch leitfähiges Material und/oder mindestens ein polymeres Bindemittel enthalten. Zum Beispiel kann jede Teilschicht 250 enthalten mehr als oder gleich etwa 30 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 100 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials; mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% eines oder mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien; und mehr als oder gleich etwa 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-%, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 15 Gew.-%, eines oder mehrerer Bindemittel.
Wie dargestellt, können aufeinanderfolgende Teilfolien 250 durch eine oder mehrere Puffer- oder Haftschichten 252 getrennt sein. Wie dargestellt, kann beispielsweise eine Haftschicht 252 zwischen den aufeinanderfolgenden Teilfolien 250 angeordnet sein. In jedem Fall kann es sich bei der einen oder mehreren Haftschichten 252 um eine ionisch und elektrisch leitfähige Schicht handeln, die ein Gemisch aus einem Polymer, einem elektronisch leitfähigen Füllstoff und einem ionisch leitfähigen Füllstoff enthält. Zum Beispiel kann jede der einen oder mehreren Haftschichten 252 mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% des Polymers und mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 50 Gew.-% einer Kombination aus dem elektronisch leitfähigen Füllstoff und dem ionisch leitfähigen Füllstoff enthalten. In bestimmten Variationen kann mindestens eine der einen oder mehreren Haftschichten 52 ein Massenverhältnis von Polymer:elektronisch leitfähigem Füllstoff:ionisch leitfähigem Füllstoff von etwa 3:1:1 aufweisen.
Der elektrisch leitfähige Füllstoff kann ein kohlenstoffhaltiges Material (z.B. Super-P, Ruß, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanofasern und dergleichen) und/oder Metallpulver (z.B. Silber (Ag), Aluminium (AI), Nickel (Ni) und dergleichen) enthalten. Der ionisch leitfähige Füllstoff kann enthalten ein schnell leitfähiges Lithiumionen-Material, wie Lithium-Aluminium-Titanphosphat (LATP), Lithium-Lanthanzirkonat (LLZO), Li_1+xAl_xGe_2-x(PO₄)₃ (wobei 0 ≤ x ≤ 2) (LAGP) und dergleichen. Das Polymer kann lösungsmittelbeständig sein und eine gute Haftung aufweisen, wie z.B. Epoxid, Polyimid (Polyamidsäure), Polyester, Vinylester und Kombinationen und dergl. In anderen Variationen kann das Polymer ein thermoplastisches Polymer enthalten, wie Polyvinylidenfluorid (PVdF), Polyamid, Silikon, Acryl und Kombinationen und dergl.
Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden in den folgenden nicht einschränkenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Eine beispielhafte Halbknopfzelle kann in Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. Die Beispielzelle kann eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordneten Separator umfassen. Die positive Elektrode kann eine Vielzahl von Teilfolien oder Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine oder mehrere Pufferschichten umfassen, die zwischen aufeinanderfolgenden Teilfolien der Vielzahl von Teilfolien aus elektroaktivem Material angeordnet sind. Die positive Elektrode kann zum Beispiel vier Teilfolien und drei dazwischen angeordnete Pufferschichten umfassen. Jede der Teilfolien kann LiMn_0,7Fe_0,3PO₄, Super-P, aus Dampf gewachsene Kohlenstofffasern (VGCF) und Polytetrafluorethylen (PTFE) in einem Massenverhältnis von etwa 95:2:1:2 enthalten. Jede der Pufferschichten kann Polyacrylat (PAA) und Super-P in einem Massenverhältnis von etwa 2:1 enthalten und kann eine Dicke von etwa 240 µm haben. Die positive Elektrode mit den mehreren Teilfolien aus elektroaktivem Material und der einen oder den mehreren Pufferschichten kann eine Gesamtdicke von etwa 1.000 µm aufweisen. Die negative Elektrode kann eine Lithiumfolie mit einer Dicke von etwa 450 µm enthalten. Die Beispielzelle kann außerdem einen Elektrolyten enthalten, der 1 M Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) in einem Co-Lösungsmittelgemisch enthält. Das Co-Lösungsmittelgemisch kann ein Volumenverhältnis von etwa 3:7 von Ethylencarbonat (EC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) aufweisen.
5 zeigt die Erhaltung der Lade-/Entladekapazität für die beispielhafte Halbzelle. Die Linie 550 repräsentiert die Ladekapazität, und die Linie 560 repräsentiert die Entladekapazität. Die beispielhafte Halbzelle wurde in einem Spannungsfenster von mehr als oder etwa 2,5 V bis weniger als oder etwa 4,3 V betrieben und 2 Zyklen lang mit C/50, 2 Zyklen lang mit C/20, 2 Zyklen lang mit C/10 und 2 Zyklen lang mit C/20 zyklisch betrieben. Die x-Achse 510 repräsentiert die Zyklenanzahl. Die y-Achse 520 repräsentiert die Kapazität (mAh).
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Elektrochemische Zelle, die Lithiumionen zyklisch bewegt, wobei die elektrochemische Zelle umfasst: eine doppelseitige Elektrode mit einer ersten Schicht aus elektroaktivem Material, einer zweiten Schicht aus elektroaktivem Material und einem Stromkollektor, der zwischen der ersten und der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material angeordnet ist; eine erste einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der ersten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; einen ersten Separator, der die erste einseitige Elektrode und die erste Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt; eine zweite einseitige Elektrode, die im Wesentlichen mit der zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ausgerichtet ist; und einen zweiten Separator, der die zweite einseitige Elektrode und die zweite Schicht aus elektroaktivem Material physisch trennt.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein positives elektroaktives Material umfasst und jede der ersten und zweiten einseitigen Elektroden ein negatives elektroaktives Material umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten Schicht aus elektroaktivem Material ein negatives elektroaktives Material umfasst und jede der ersten und zweiten einseitigen Elektroden ein positives elektroaktives Material umfasst.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Stromkollektor ein erster Stromkollektor ist, ein zweiter Stromkollektor auf oder neben der ersten einseitigen Elektrode angeordnet ist, und ein dritter Stromkollektor auf oder neben der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet ist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht aus elektroaktivem Material eine Vielzahl von ersten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von ersten Pufferschichten umfasst, die zwischen benachbarten elektroaktiven Teilschichten der Vielzahl von ersten elektroaktiven Teilschichten angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, wobei die zweite Schicht aus elektroaktivem Material eine Vielzahl von zweiten Teilschichten aus elektroaktivem Material und eine Vielzahl von zweiten Pufferschichten umfasst, die zwischen benachbarten Teilschichten aus elektroaktivem Material der Vielzahl von zweiten elektroaktiven Teilschichten angeordnet sind.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 6, wobei die Mehrzahl der ersten Pufferschichten und die Mehrzahl der zweiten Pufferschichten jeweils ein Polymer, einen elektronisch leitfähigen Füllstoff und einen ionisch leitfähigen Füllstoff umfassen.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei der Stromkollektor eine oder mehrere Oberflächen aufweist, die mit einer Haftschicht beschichtet sind, die eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 0,05 µm bis weniger als oder gleich etwa 100 µm aufweist.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 8, wobei die Haftschicht ein Polymer und einen elektronisch leitfähigen Füllstoff enthält.
Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, wobei die elektrochemische Zelle ferner umfasst: einen ersten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der ersten einseitigen Elektrode angeordnet ist; und einen zweiten Anschlussseparator, der auf oder neben einer freiliegenden Oberfläche der zweiten einseitigen Elektrode angeordnet ist.